荧光生物样品的非相干数字全息三维显微成像方法研究

基于菲涅尔波带片与物信息关联的非相干数字全息可大大简化全息技术在荧光显微成像领域的应用,对荧光生物样品进行非扫描的三维显微层析成像。非相干数字全息及其在生命科学领域的应用为目前国际研究前沿。本项目在研究衍射受限空不变系统成像的基础上,深入研究非相干数字全息显微成像的基本理论和关键问题,包括系统的三维强度点扩展函数、带宽限制、空间分辨率及非相干光特性对系统层析成像能力的影响；利用偏振相移原理,实现单次曝光两步相移的同轴数字全息图的记录和再现算法,使该技术适用于动态样品的成像；以最大化系统分辨率为目标,建立物参共路的同轴数字全息实验系统,进行非相干数字全息显微成像实验,通过波前像差预补偿、优化再现算法、抑制噪声等方法实现荧光生物样品三维信息的高质量高分辨率记录和重建。此项研究有望产生一系列原始性的创新成果，并应用于荧光生物样品成像等生命科学和医学诊断的多个领域，具有重要的学术意义和应用价值。

全息图可以用非相干光记录使数字全息术的应用扩展到了荧光三维显微成像，彩色全息和自适应光学等应用领域。菲涅耳非相干相关全息术（Fresnel Incoherent Correlation Digital Holography, FINCH）利用记录非相干数字全息图的方法将深度信息编码于菲涅尔全息图的条纹密度，实现了非扫描的荧光三维全息成像。本项目以FINCH技术为研究的切入点，主要研究非相干全息术的理论、成像特性，成像性能的提高和拓展。基于空间不变成像系统和衍射理论研究了采用自参考光的非相干数字全息术的基本原理,给出了系统的强度点扩散函数及非相干全息图的形式。建立了非相干同轴数字全息实验系统，研究了共路同轴FINCH的成像特性。通过比较衍射受限的相干、非相干透镜成像及FINCH 成像系统之间的特性，说明了非相干数字全息技术在成像分辨率上的优势。提出了以全息图数值孔径作为参数来综合评价和优化FINCH 系统成像分辨率。研究相移技术对非相干数字全息术记录和再现的影响，分析了在非相干数字全息术中应用单次曝光相移技术的可行性。提出了一种基于评价再现像平均噪声对比度的相移误差校正算法，利用该算法对相移误差进行校正，有效地提高了再现像的质量。研究了光源的特性对非相干数字全息系统成像质量的影响，确定了可以记录较高条纹调制度的光源直径的取值，提出了一种基于自参考光的三角全息定量测量光场空间相干性的方法。针对现有的共路同轴相移非相干数字全息术记录速度较慢且易受相移误差干扰的局限，提出了一种基于三角全息术的非相干离轴傅立叶变换全息术(Incoherent Fourier Triangular Holography,IFTH)，实现了从单次曝光的全息图再现物体的三维信息，并用于动态样品的多维成像，实现了活的斑马鱼的四维追踪。将IFTH 与光谱成像技术相结合，提出了一种非相干傅立叶变换彩色全息术(Incoherent Fourier Triangular Color Holography, IFTCH)，实现了物体四维信息的记录和再现。结合图像融合与色差校正技术，从分时曝光的三张全息图便可获得反映物体真实颜色以及三维空间信息的色合成全息再现像。与现有的荧光彩色全息成像技术相比，IFTCH 具有较快的记录和再现速度，适合于动态生物样品的荧光光谱三维显微成像。